数控技术数控检测装置资料.pptx

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1、主要内容2.1 2.1 概述概述 组成：组成：检测元件（传感器）、信号处理装置。检测元件（传感器）、信号处理装置。作用：作用：实时测量执行部件的位移和速度信号，并实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号形式，变换成位置控制单元所要求的信号形式，构成伺服构成伺服系统闭环或半闭环控制。系统闭环或半闭环控制。半闭环控制的数控机床：旋转变压器、编码器等，安装在电机或丝杠上，测量电机或丝杠的角位移间接测量工作台直线位移。闭环控制系统的数控机床：感应同步器、光栅、磁栅等，安装在工作台和导轨上，直接测量工作台的直线位移。半闭环、闭环数控机床的加工精度在很大程度上是半闭环、闭环数控机

2、床的加工精度在很大程度上是由由位置检测装置的精度位置检测装置的精度决定的。决定的。1第1页/共39页位置检测装置的精度位置检测装置的精度：系统精度系统精度和和分辨率分辨率系系统统精精度度：一一定定长长度度或或转转角角范范围围内内测测量量累累积积误误差的最大值。一般：差的最大值。一般：直线位移检测精度：直线位移检测精度：0.0020.02m；回转角测量精度：回转角测量精度：10360系系统统分分辨辨率率：测测量量元元件件所所能能正正确确检检测测的的最最小小位位移量。移量。目前：目前：直线位移分辨率：直线位移分辨率：1m，高精度，高精度0.1m；回转分辨率：可达回转分辨率：可达2。2.1 2.1

3、概述概述2第2页/共39页主要内容2.1 2.1 概述概述 数控系统中的检测装置按检测的物理量不同，分数控系统中的检测装置按检测的物理量不同，分位位移移、速度速度和和电流电流三种类型。三种类型。位移检测装置分类：位移检测装置分类：安装位置安装位置 直接测量直接测量和和间接测量间接测量；测量方法测量方法 增量型增量型和和绝对型绝对型;检测信号的类型检测信号的类型 模拟式模拟式和和数字式数字式；运动型式运动型式 回转型回转型和和直线型直线型；3第3页/共39页主要内容6.1 6.1 概述概述数字式数字式 模拟式模拟式 增量式增量式 绝对式绝对式 增量式增量式 绝对式绝对式 回回转转型型 增量式脉冲

4、增量式脉冲编码器编码器圆光栅圆光栅 绝对式脉冲绝对式脉冲编码器编码器 旋转变压器旋转变压器圆感应同步器圆感应同步器圆磁尺圆磁尺 多极旋转变压器多极旋转变压器3速圆感应同步器速圆感应同步器 直直线线型型 计量光栅计量光栅激光干涉仪激光干涉仪 多通道透射多通道透射光栅光栅 直线感应同步器直线感应同步器磁尺磁尺 3速直线感应同步器速直线感应同步器绝对值式磁尺绝对值式磁尺 位移检测装置分类位移检测装置分类4第4页/共39页主要内容数控机床对检测装置的主要要求数控机床对检测装置的主要要求 1）受温、湿度影响小，工作可靠，抗干扰能力强；）受温、湿度影响小，工作可靠，抗干扰能力强；2）在机床移动范围内满足精

5、度和速度要求；）在机床移动范围内满足精度和速度要求；3）使用维护方便，适合机床运行环境；）使用维护方便，适合机床运行环境；4）成本低；）成本低；5）易于实现高速的动态测量。）易于实现高速的动态测量。2.1 2.1 概述概述5第5页/共39页主要内容2.2 2.2 旋转变压器旋转变压器 是是一一种种输输出出电电压压与与角角位位移移量量成成连连续续函函数数关关系系的的感感应应式式微微电电机机，数数控控机机床床上上常常见见的的角角位位移移测测量量装装置置，广广泛泛用用于于半闭环控制半闭环控制的数控机床。的数控机床。优优点点：结结构构简简单单、动动作作灵灵敏敏、工工作作可可靠靠、对对环环境境条条件件要

6、要求求低低（特特别别是是高高温温、高高粉粉尘尘的的地地方方）、输输出出信信号号幅幅度度大大和抗干扰能力强等特点。和抗干扰能力强等特点。缺点：缺点：信号处理比较复杂。信号处理比较复杂。旋转变压器转子轴与电机轴或丝杠连接在一起，实现电机轴或丝杠转角的测量。旋转变压器6第6页/共39页主要内容2.2 旋转变压器旋转变压器分解器变压器数数控控机机床床主主要要使使用用无无刷刷旋旋转转变变压压器器，无无刷刷旋旋转转变变压压器器具具有输出信号大、可靠性高、寿命长及不用维修等优点。有输出信号大、可靠性高、寿命长及不用维修等优点。转轴转轴机壳机壳 分解器定子分解器定子变压器定子变压器定子变压器变压器一次线圈一次

7、线圈变压器变压器转子转子变压器二次线圈变压器二次线圈分解器转子分解器转子2.2.1旋转变压器的结构旋转变压器的结构 7第7页/共39页主要内容6.2.2 旋转变压器的工作原理旋转变压器的工作原理 原理：原理：电磁感应，电磁感应，当当定子定子加上一定频率的加上一定频率的激磁电压时，通过激磁电压时，通过电电磁耦合磁耦合，转子转子绕组产绕组产生感应电势，其生感应电势，其输出输出电压电压的大小取决于定的大小取决于定子和转子两个绕组轴子和转子两个绕组轴线在空间的相对位置。线在空间的相对位置。6.2 旋转变压器旋转变压器U U1 1R RUm激磁电压幅值激磁电压幅值 n绕组匝数比绕组匝数比 转子偏转角转子

8、偏转角8第8页/共39页主要内容U2 nUm sint sin6.2 旋转变压器旋转变压器9第9页/共39页主要内容6.2 旋转变压器旋转变压器10第10页/共39页主要内容6.2 旋转变压器旋转变压器 1c 1s 1ccos 1ssin 使用较广泛的为使用较广泛的为正余弦旋转变压器正余弦旋转变压器：定子有两个绕组定子有两个绕组正、余弦绕组正、余弦绕组 k电磁耦合系数，电磁耦合系数，k1；相位角，即：转子偏转角。相位角，即：转子偏转角。11第11页/共39页主要内容2.2 旋转变压器旋转变压器定子的两个绕组：分别通以相同幅值、相同频率，但定子的两个绕组：分别通以相同幅值、相同频率，但相位差相位

9、差/2/2的交流激磁电压的交流激磁电压 U1sUmsint U1cUmsin（t+/2）Umcost当当转转子子正正转转时时，这这两两个个激激磁磁电电压压在在转转子子绕绕组组中中产产生生的的感应电压经叠加，得到转子的感应电压感应电压经叠加，得到转子的感应电压U2 2为为 1鉴相工作方式U2kUmsintsinkUmcostcos kUmcos（t-）12第12页/共39页主要内容2.2 旋转变压器旋转变压器当转子反转时当转子反转时，同理，转子的感应电压，同理，转子的感应电压U2为为 ：U2k Umcos（t+）旋转变压器转子绕组中的感应电压与定子绕组中的励旋转变压器转子绕组中的感应电压与定子绕

10、组中的励磁电压同频率，但是相位不同，其相位严格随转子偏磁电压同频率，但是相位不同，其相位严格随转子偏角角而变化。测量转子绕组输出电压的相位角而变化。测量转子绕组输出电压的相位角，即，即可测得转子相对于定子的转角位置。可测得转子相对于定子的转角位置。在实际应用中，把定子正弦绕组励磁的交流电压相位在实际应用中，把定子正弦绕组励磁的交流电压相位作为基准相位，与转子绕组输出电压相位作比较，来作为基准相位，与转子绕组输出电压相位作比较，来确定转子转角的位置。确定转子转角的位置。13第13页/共39页主要内容2 2鉴幅工作方式鉴幅工作方式2.2 旋转变压器旋转变压器定子的两个绕组：分别通以频率相同、相位相

11、同、幅定子的两个绕组：分别通以频率相同、相位相同、幅值分别按正弦和余弦变化的交流激磁电压，即值分别按正弦和余弦变化的交流激磁电压，即 U1sUmsin sint U1c=Umcos sint 转子正转时转子正转时，U1s、U1c经叠加，转子感应电压经叠加，转子感应电压U2为：为：U2kUmsinsintsink Umcossintcos kUmcos（）sint14第14页/共39页主要内容2.2 旋转变压器旋转变压器转子反转时转子反转时，同理有转子感应电压，同理有转子感应电压U2 2为：为：U2kUmcos（）sint转子感应电压的转子感应电压的幅值幅值随转子的随转子的偏转角偏转角而变化。测

12、量出幅而变化。测量出幅值可测出值可测出 转角。转角。15第15页/共39页2.3 感应同步器感应同步器感感应应同同步步器器原原理理同同旋旋转转变变压压器器，其其输输出出电电压压随随被被测测直直线线位移或角位移而改变。位移或角位移而改变。根据用途和结构特点分：根据用途和结构特点分：直线式、旋转式。直线式、旋转式。直线式：直线式：定尺、滑尺，测直线位移，用于闭环伺服系统。定尺、滑尺，测直线位移，用于闭环伺服系统。旋转式：旋转式：定子、转子，测角位移，用于半闭环伺服系统。定子、转子，测角位移，用于半闭环伺服系统。直线式感应同步器有：直线式感应同步器有：标准式：标准式：精度最高、使用最广；精度最高、使

13、用最广；窄式窄式：定尺、滑尺宽度比标准式小，比标准式精度低，精度较低、：定尺、滑尺宽度比标准式小，比标准式精度低，精度较低、机床上安装位置窄小且安装面难于加工；机床上安装位置窄小且安装面难于加工；带式：带式：定尺可至定尺可至3m3m以上，不需接长，定尺随床身热变形而变形，以上，不需接长，定尺随床身热变形而变形，刚性稍差，总测量精度比标准式低；刚性稍差，总测量精度比标准式低；3 3重式：重式：定尺有粗、中、细绕组，为绝对式检测系统，大型机床。定尺有粗、中、细绕组，为绝对式检测系统，大型机床。16第16页/共39页2.3.1 感应同步器的结构感应同步器的结构2.3 感应同步器感应同步器（固定在床身

14、上）（固定在床身上）（安装在移动部件上）（安装在移动部件上）平行，间隙为平行，间隙为0.2 0.2 0.30.3mm直线感应同步器结构：直线感应同步器结构：17第17页/共39页2.3 感应同步器感应同步器当正弦绕组与定当正弦绕组与定尺绕组对齐时，尺绕组对齐时，余弦绕组与定尺余弦绕组与定尺绕组相差绕组相差1/41/4节距。节距。“节距”2 是衡量感应同步器精度的主要参数。标准感应同步器定尺长250mm，滑尺长100mm，节距2mm。18第18页/共39页2.3.3 感应同步器工作原理感应同步器工作原理 2.3 感应同步器感应同步器滑尺、定尺发生相对位移，由于电磁耦合的变化，滑尺、定尺发生相对位

15、移，由于电磁耦合的变化，使感应绕组的使感应绕组的感应电压随位移的变化而变化。感应电压随位移的变化而变化。19第19页/共39页2.3 感应同步器感应同步器感应电压幅值与相对位置关系20第20页/共39页 当滑尺移动距离为当滑尺移动距离为 2 2，滑尺绕组相对于定尺绕组的空，滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角变化间相位角变化 2 2；当移动；当移动 x x 时，则时，则相位角变化相位角变化 角角度度。2.3 感应同步器感应同步器可得设 表示滑尺上一相绕组的激磁电压，则定尺绕组感应电压为21第21页/共39页给给滑滑尺尺的的正正、余余弦弦绕绕组组的的激激磁磁信信号号是是频频率率、幅幅值值相相同同，

16、相位相差相位相差90900 0的交流励磁电压的交流励磁电压 根据叠加原理，定尺上的总感应电压为根据叠加原理，定尺上的总感应电压为 通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测量定尺通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测量定尺和滑尺之间的相对位移。和滑尺之间的相对位移。2.3 感应同步器感应同步器1.鉴相工作方式鉴相工作方式22第22页/共39页 给滑尺上正、余弦绕组的励磁电压的频率、相位相同，但幅值不同。2.鉴幅工作方式则在定尺绕组产生的总感应电压为2.3 感应同步器感应同步器若电气角若电气角已知，只要测出已知，只要测出V2幅值，便能求出与位移对应幅值，便能求出与位移对应的角度的角度。实际测量时，不

17、断调整。实际测量时，不断调整，让幅值为零，则，让幅值为零，则=，从而求得，从而求得对应的位移量对应的位移量x，就可测得机械位移。，就可测得机械位移。23第23页/共39页2.4 2.4 光栅光栅通常意义上讲，光栅通常意义上讲，光栅按用途按用途分，有两大类：分，有两大类：物物理理光光栅栅（衍衍射射光光栅栅）：200500条条/，栅栅距距0.0020.005，主主要要是是利利用用光光的的衍衍射射原原理理，用用于于光谱分析和光波波长的测定。光谱分析和光波波长的测定。计计量量光光栅栅：25条条/、50条条/、100条条/、250条条/等等，栅栅距距0.0040.25，主主要要是是利利用用光光的的透透射

18、射和反射现象，用于和反射现象，用于数控机床闭环检测系统数控机床闭环检测系统。按形状按形状：长光栅（直线光栅）：检测线位移：长光栅（直线光栅）：检测线位移 圆光栅：测量角位移圆光栅：测量角位移直线光栅直线光栅按制作原理按制作原理：玻璃透射光栅、金属反射光栅。：玻璃透射光栅、金属反射光栅。2.4.1 光栅的种类24第24页/共39页（以玻璃透射式直线光栅为例以玻璃透射式直线光栅为例）光栅的结构光栅的结构组成：组成：标尺光栅、光栅读数头标尺光栅、光栅读数头 标尺光栅与行程等长，通常光栅长度为标尺光栅与行程等长，通常光栅长度为1m，行程，行程 大于大于1m时，需要将光栅接长。时，需要将光栅接长。安装：

19、标尺光栅安装：标尺光栅一般安装在一般安装在机床活动部件机床活动部件上（如工作台上（如工作台 上或丝杠上）；上或丝杠上）；光栅读数头光栅读数头安装在安装在机床固定部件机床固定部件上上 （如机床底座上）。指示光栅装在光栅读数头中。（如机床底座上）。指示光栅装在光栅读数头中。2.4 2.4 光栅光栅2.4.2光栅的结构与测量原理25第25页/共39页光栅的结构与测量原理光栅的结构与测量原理光栅读数头组成：光栅读数头组成：光源、透镜、指示光栅、光敏元件、光源、透镜、指示光栅、光敏元件、驱动线路。驱动线路。作用：将光信号转换成电脉冲信号。26第26页/共39页均匀刻线均匀刻线标尺标尺光栅光栅指示指示光栅

20、光栅夹角夹角明暗相间明暗相间条纹条纹莫尔条纹莫尔条纹移动移动p27光栅的结构与测量原理光栅的结构与测量原理第27页/共39页莫尔条纹移动方向与光栅移动方向垂直 光栅移动一个栅距，莫尔条纹移动一个节距28光栅的结构与测量原理光栅的结构与测量原理第28页/共39页光栅移动时产生的莫尔条纹由光电元件接受，然后经过位移数字变换电路形成顺时针方向的正向脉冲或者形成反时针方向的反向脉冲，通过可逆计数器接受。292.4.2光栅位移-数字变换电路第29页/共39页302.4.2光栅位移-数字变换电路第30页/共39页312.4.2 光栅位移-数字变换电路第31页/共39页2.6 2.6 编码器编码器编编 码码

21、 器器（码码 盘盘）:旋旋 转转 式式 测测 量量 元元 件件，装装 在在 被被 测测 轴轴上上，随随之之一一起起转转动动，将将被被测测轴轴的的角角位位移移转转换换成成增增量量脉冲或绝对值式代码。脉冲或绝对值式代码。使使 用用 的的 计计 数数 制制：二二 进进 制制、二二 进进 制制 循循 环环 码码（格格 雷雷 码）等码）等输出信号的形式：输出信号的形式：绝对值式、脉冲增量式绝对值式、脉冲增量式内部结构和检测方式内部结构和检测方式：接触式、：接触式、光电式光电式、电磁式。、电磁式。32第32页/共39页两种安装方式：两种安装方式：编码器和伺服编码器和伺服电机同轴联接；电机同轴联接；联接在滚

22、珠丝联接在滚珠丝杠末端；杠末端；工作台工作台丝杠丝杠编码器编码器电机电机2.6 2.6 编码器编码器33第33页/共39页2.6 2.6 编码器编码器安装：安装：34第34页/共39页2.6.1 光电式编码器光电式编码器 常用的光电式编码器（光电码盘、光电脉冲发常用的光电式编码器（光电码盘、光电脉冲发生器、光电脉冲编码器）为生器、光电脉冲编码器）为增量式增量式光电编码器，光电编码器，是一种旋转式脉冲发生器。是一种旋转式脉冲发生器。把把机械转角变成电脉冲机械转角变成电脉冲，是数控机床常用的，是数控机床常用的角角位移位移检测元件，也可用于检测元件，也可用于角速度检测角速度检测。2.6 2.6 编码

23、器编码器35第35页/共39页高分辨率的脉冲编码器高分辨率的脉冲编码器脉冲编码器20000脉冲脉冲r25000脉冲脉冲r30000脉冲脉冲r10万乃至几百万个脉冲的编码器已使用，该类脉万乃至几百万个脉冲的编码器已使用，该类脉冲编码器装置内部应用了微处理器。冲编码器装置内部应用了微处理器。脉冲编码器2000脉冲脉冲r2500脉冲脉冲r3000脉冲脉冲r数控机床常用编码器：根据丝杠螺距来选用。2.6 2.6 编码器编码器36第36页/共39页2.6 2.6 编码器编码器A A组与组与B B组两组狭缝，彼此错开组两组狭缝，彼此错开1/41/4节距，两组狭缝相对应的光敏元节距，两组狭缝相对应的光敏元件

24、产生的信号件产生的信号A A、B B彼此相差彼此相差9090 相位，用于辨向，称为辩向狭缝。相位，用于辨向，称为辩向狭缝。另外，还有一个零位狭缝，产生另外，还有一个零位狭缝，产生Z Z相脉冲。相脉冲。37第37页/共39页2.6 2.6 编码器编码器正走时，A A脉冲超前B B脉冲，D D门在A A信号控制下，将B B脉冲上升沿微分作为计数脉冲反向输出，为负脉冲。该脉冲经与非门3 3变为正向计数脉冲输出。D D门输出的负脉冲同时又将触发器置为“0”0”状态，Q Q端输出“0”0”，作为正走方向控制信号。反走时，B B脉冲超前A A脉冲。这时，由C C门输出反走时的负计数脉冲，该负脉冲也由3 3门反问输出作为反走时计数脉冲。不论正走、反走，与非门3 3都为计数脉冲输出门。反走时，C C门输出的负脉冲使触发器置“1”1”，作为反走时方向控制信号。38第38页/共39页感谢您的观看。第39页/共39页